本發(fā)明涉及多晶硅生產(chǎn)技術領域，特別涉及一種利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法。

背景技術：

隨著近年來光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，降低光伏系統(tǒng)的成本與縮短能量回收期成為了行業(yè)熱點，降低多晶硅生產(chǎn)成本是光伏發(fā)展的前提，而冶金法憑借低成本、低耗能等優(yōu)勢脫穎而出。目前我國物理冶金法的主要工業(yè)流程為：工業(yè)硅→精煉除b→破碎酸洗→定向凝固→電子束除p。

其中，電子束除磷工藝主要是將加入的硅塊落入硅液底部，隨著電子束的轟擊，這部分硅塊從硅液底部逐漸熔化，磷從底部擴散至硅液表面，達到去除磷元素的目的。

然而上述電子束除磷工藝存在以下問題：1、對進料品質(zhì)、顆粒度要求高，例如要求原料的顆粒度必須達到5～20mm的范圍，品質(zhì)方面的要求是必須進行定向凝固工藝，使硅料的純度達到99.999%以上；

2、電子束爐從結(jié)構上分為左、中、右三把槍，同時運行時總功率達到1800kw以上，由于現(xiàn)有的電子束除磷工藝總耗時較長，熔煉時長達30小時以上，每爐產(chǎn)出成品錠重量約為750kg，根據(jù)市場對多晶硅的需求量，其能耗高、成本高、效率低；

3、現(xiàn)有的電子束除磷工藝的凝固過程中，雜質(zhì)在固液界面的分凝和在氣液界面的蒸發(fā)的耦合作用可以深度去除磷、鋁等同時具有分凝性質(zhì)和蒸發(fā)性質(zhì)的雜質(zhì)元素，但其對難揮發(fā)非金屬雜質(zhì)以及分凝效果不佳的金屬雜質(zhì)去除效果不佳；

4、左右兩個水平坩堝的下料速度過快，每次下料重量2.4kg，造成水冷銅坩堝內(nèi)物料堆積厚度較高，同時中槍掃描呈現(xiàn)固定的矩形方框，在電子束運行過程中始終按照矩形方框的對角線、對稱軸進行平移，由于熔煉時間長，在熔煉過程中，原料的揮發(fā)較大，揮發(fā)率在15％左右，造成收得率較低，成本較高。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種能夠同時去除磷和金屬雜質(zhì)、降低原料揮發(fā)率、熔煉時間短的利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法。

一種利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法，包括如下步驟：

在兩個熔煉坩堝及一個水冷銅坩堝上方對應設置電子束槍，其中，兩個熔煉坩堝平行設置，水冷銅坩堝設置在兩個熔煉坩堝下方，且位于兩個熔煉坩堝之間；

先后向兩個熔煉坩堝中下料預定量的硅料，并按照如下方式對加入熔煉坩堝中的預定量的硅料進行熔煉除磷：每個熔煉坩堝中每次加入單位量的硅料，控制電子束槍按照第一預定功率對單位量的硅料熔煉第一預定時間段，再向熔煉坩堝中加入單位量的硅料并控制電子束槍按照第一預定功率對第二次加入的單位量的硅料熔煉第一預定時間段，重復上述步驟，直至加入熔煉坩堝中的硅料的量與預定量相對應后，再熔煉第二預定時間段后，兩個熔煉坩堝將熔融的原料先后交替流入水冷銅坩堝，兩個熔煉坩堝流料的時間相差第三預定時間段；

利用水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積變化的面掃描方式及按照第一預定功率對流入水冷銅坩堝中的原料進行掃描升溫，以保證在水冷銅坩堝內(nèi)有一個預定厚度的熔池，利用熔池與結(jié)晶的物料之間的固液界面來使雜質(zhì)不斷的向熔池內(nèi)匯集、揮發(fā)；其中，面積變化的面掃描方式是指調(diào)整電子束掃描面擴大、縮小的頻率，使水冷銅坩堝中被掃描的區(qū)域不斷由大至小的變換，來實現(xiàn)對熔區(qū)移動速度和結(jié)晶速度的控制；

在水冷銅坩堝內(nèi)的原料流滿后，控制水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積不變的面掃描方式且功率逐漸縮小，來降低功率及將硅錠中的雜質(zhì)集中至硅錠頂部中心；

冷卻后出錠，獲得多晶硅半成品，將多晶硅半成品的底部和頂部雜質(zhì)富集區(qū)鋸切，以獲得多晶硅。

優(yōu)選的，預定量為24kg，單位量的硅料為2kg，第一預定功率為300kw，第一預定時間段為２分鐘，第二預定時間段為6分鐘，第三預定時間段為15分鐘。

優(yōu)選的，熔池的厚度為3～5cm。

優(yōu)選的，在“在水冷銅坩堝內(nèi)的原料流滿后，控制水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積不變的面掃描方式且功率逐漸縮小，來降低功率及將硅錠中的雜質(zhì)集中至硅錠頂部中心”中，電子束槍功率逐漸縮小，直至功率縮小至5kw，面掃描方式的掃描面積為直徑10cm的圓。

上述利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法中，每個熔煉坩堝中每次加入單位量的硅料，控制電子束槍按照第一預定功率對單位量的硅料熔煉第一預定時間段，再向熔煉坩堝中加入單位量的硅料并控制電子束槍按照第一預定功率對第二次加入的單位量的硅料熔煉第一預定時間段，直至加入熔煉坩堝中的硅料的量與預定量相對應后，再熔煉第二預定時間段，以此提高熔煉速度，兩個熔煉坩堝將熔融的原料先后交替流入水冷銅坩堝，兩個熔煉坩堝流料的時間相差第三預定時間段；利用水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積變化的面掃描方式及按照第一預定功率對流入水冷銅坩堝中的原料進行掃描升溫，以保證在水冷銅坩堝內(nèi)有一個預定厚度的熔池，利用熔池與結(jié)晶的物料之間的固液界面來使雜質(zhì)不斷的向熔池內(nèi)匯集、揮發(fā)，及減少原料的揮發(fā)率，在水冷銅坩堝內(nèi)的原料流滿后，控制水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積不變的面掃描方式且功率逐漸縮小，來降低功率及將硅錠中的雜質(zhì)集中至硅錠頂部中心，冷卻后出錠，將多晶硅半成品的底部和頂部雜質(zhì)富集區(qū)鋸切后，獲得的多晶硅，上述方法能夠?qū)⒓兌仍?9.99％左右的多晶硅提純至99.9999％以上或者將6n級硅提純至7～8n級多晶硅。

具體實施方式

本發(fā)明提供的利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法是以電子束精煉過程中的進料、熔料和長晶速度三者之間進行科學的配合，從而取消了背景技術中利用鑄錠爐去除金屬雜質(zhì)的環(huán)節(jié)，不僅使除磷指標達到了質(zhì)量要求（p≤0.1ppm），而且使金屬雜質(zhì)的去除率達到99%以上，同時大大縮短了工藝時間，有效的降低了能耗，冶煉時間由30小時降為8個小時以內(nèi)，綜合用電能耗由25kwh/kg降至10kwh/kg。

以下詳細描述上述利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法，該利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法包括以下步驟：

步驟s300，在兩個熔煉坩堝及一個水冷銅坩堝上方對應設置電子束槍，其中，兩個熔煉坩堝平行設置，水冷銅坩堝設置在兩個熔煉坩堝下方，且位于兩個熔煉坩堝之間。

步驟s302，先后向兩個熔煉坩堝中下料預定量的硅料，并按照如下方式對加入熔煉坩堝中的預定量的硅料進行熔煉除磷：每個熔煉坩堝中每次加入單位量的硅料，控制電子束槍按照第一預定功率對單位量的硅料熔煉第一預定時間段，再向熔煉坩堝中加入單位量的硅料并控制電子束槍按照第一預定功率對第二次加入的單位量的硅料熔煉第一預定時間段，重復上述步驟，直至加入熔煉坩堝中的硅料的量與預定量相對應后，再熔煉第二預定時間段后，兩個熔煉坩堝將熔融的原料先后交替流入水冷銅坩堝，直至達到水冷銅坩堝的收容容量，兩個熔煉坩堝流料的時間相差第三預定時間段。預定量、單位量是指向熔煉坩堝中一次加入硅料的量，預定量是指向熔煉坩堝中累積加入單位量的硅料的總量，第一預定時間段及第二預定時間段是指熔煉的時長，預定量、單位量、第一預定時間段、第二預定時間段根據(jù)熔煉坩堝的容量及電子束槍的功率來確定。

步驟s304，利用水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積變化的面掃描方式及按照第一預定功率對流入水冷銅坩堝中的原料進行掃描升溫，以保證在水冷銅坩堝內(nèi)有一個預定厚度的熔池，利用熔池與結(jié)晶的物料之間的固液界面來使雜質(zhì)不斷的向熔池內(nèi)匯集、揮發(fā)；其中，面積變化的面掃描方式是指調(diào)整電子束掃描面擴大、縮小的頻率，使水冷銅坩堝中被掃描的區(qū)域不斷由大至小的變換，來實現(xiàn)對熔區(qū)移動速度和結(jié)晶速度的控制。例如，熔池的厚度為3～5cm。

步驟s306，在水冷銅坩堝內(nèi)的原料流滿后，控制水冷銅坩堝上方的電子束槍以面積不變的面掃描方式且功率逐漸縮小，來降低功率及將硅錠中的雜質(zhì)集中至硅錠頂部中心。

步驟s308，冷卻后出錠，獲得多晶硅半成品，將多晶硅半成品的底部和頂部雜質(zhì)富集區(qū)鋸切，以獲得多晶硅。

為了便于理解上述利用電子束熔煉爐提純多晶硅的方法，以下舉例說明：

本發(fā)明使用的設備為３槍1800千瓦電子束爐，左右兩側(cè)為２個熔煉坩堝，形狀為長方形，中間為水冷銅坩堝，每個坩堝上方有一把電子束槍，熔煉時功率為300ｋｗ。２個熔煉坩堝通過電子束的高溫去除原料里的雜質(zhì)磷及一些容易揮發(fā)的非金屬雜質(zhì)。

每個熔煉坩堝中，每次下料2kg，熔煉２分鐘，下料十二次共24kg，全部下料往后再熔煉６分鐘，如此縮短了工藝時間，且使得２個熔煉坩堝內(nèi)的原料30分鐘內(nèi)磷含量可去除至90％以上。

兩側(cè)熔煉坩堝錯開15分鐘交替流料，亦即一邊熔煉坩堝下料12次后，將原料流入中間的水冷銅坩堝內(nèi)，再過15分鐘后另一邊的熔煉坩堝再將原料流入中間的水冷銅坩堝內(nèi)，兩個熔煉坩堝交替流料直至水冷銅坩堝化滿為止，該15分鐘的間隔時間是通過大量反復試驗論證得出，由于水冷銅坩堝的冷卻效果較好，液態(tài)硅流入水冷銅坩堝內(nèi)，在水冷銅坩堝上方利用電子束槍以300kw功率對水冷銅坩堝內(nèi)物料進行掃描升溫，將電子束槍的掃描方式從線掃描改變成面掃描，通過對掃描最大區(qū)域與最小區(qū)域的設置，調(diào)整電子束掃描面擴大、縮小的頻率，實現(xiàn)掃描熱源對熔區(qū)移動速度和結(jié)晶速度的控制，始終在水冷銅坩堝內(nèi)有一個3～5cm厚的熔池，每次流料后，熔池深度加深至1cm，水冷銅坩堝四周、底部帶有冷卻水，可將接觸到坩堝壁的硅液熱量逐漸進行置換，此時左右熔煉坩堝的硅液交替的澆筑在圓坩堝內(nèi)，通過水冷銅坩堝上方的電子束槍對硅液加熱，形成一定的溫差，硅液開始緩慢的結(jié)晶，液面由底部逐漸上升到頂部，通過雜質(zhì)在固液界面處不斷的擴散、揮發(fā)，及通過改變水冷銅坩堝上方的電子束槍掃描方式對熔區(qū)速度和結(jié)晶速度的控制達到區(qū)熔提純的目的，這樣的區(qū)熔提純方法既能夠保證原料在左右鍋去除磷的要求，又能保證在圓坩堝內(nèi)區(qū)熔去除金屬雜質(zhì)的目的。

左右熔煉坩堝錯開流料直至水冷銅坩堝內(nèi)流滿為止，然后將水冷銅坩堝上方的電子束槍掃描的功率范圍逐漸縮小，直至功率縮小至5kw，大小為直徑10cm的圓，這個過程主要是通過降低功率，掃描將硅錠中的雜質(zhì)集中至頂部中心；冷卻后，出錠，將底部和頂部雜質(zhì)富集區(qū)鋸切而獲得多晶硅，成品率可達80％。